近日，我院低维量子材料团队助理研究员王洁素和合作者在多铁性薄膜磁电耦合效应研究方面取得新进展，为探究低维材料的磁电耦合效应提供了新思路和新方法。2023年4月20日，该成果以《利用光学二次谐波研究多铁材料中的磁电耦合》（Magnetoelectric coupling in multiferroics probed by optical second harmonic generation）为题发表在《自然·通讯》（Nature Communications）上。 

低维材料中电有序和磁有序的耦合对于低维多铁性理论研究和基于磁的信息存储与操作的未来发展都具有重要意义。然而，由于包括自支撑薄膜在内的低维材料体系通常具有不稳定和易碎等特性，传统探测手段无法有效且无损地对其物性进行表征，导致其磁电耦合效应的强度表征、机制揭示及精准调控变得极具挑战性。

低维量子材料团队助理研究员王洁素及其合作者利用外加磁场的宽温区光学二次谐波产生（Second Harmonic Generation, SHG）技术研究了多铁性BiFeO₃薄膜中的磁电耦合效应，系统地表征了不同应力作用下BiFeO₃薄膜中铁电有序和反铁磁有序随着外加磁场和温度的演化。研究人员定义了一个光学磁电耦合常数——表示通过磁场控制多铁性材料中光致非线性极化的能力，发现应变释放以后，自支撑BiFeO₃薄膜中光学磁电耦合常数的绝对值减小，并且反铁磁序和铁电序均被抑制（图1-图3）。研究人员还发现，自支撑BiFeO₃薄膜的光学磁电耦合常数在10 K低温和300 K室温下具有相同的量级，表明磁电耦合效应对于温度具有鲁棒性，预示其在柔性多功能器件应用中的巨大潜力。在直接外延的BiFeO₃薄膜中，通过SHG强度的变化，研究人员还清晰地观察到了Néel温度（反铁磁-顺磁转变温度点）为618 K的一级相变（图2），同时发现了自支撑BiFeO₃薄膜中饱和磁矩相较于外延BiFeO₃薄膜发生了约7倍的增强（图3），后者主要归因于与电子自旋-轨道耦合相关的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用的改变。

图1  自支撑BiFeO₃薄膜的制备及铁电性能表征

图2  外延BiFeO₃薄膜的宽温区和外加磁场下的SHG实验结果

图3  M-H实验结果和外磁场作用下SHG强度的变化

以上研究表明具有可调外部场（温度场、磁场以及电场）的先进SHG技术是探测类似的自支撑多铁性薄膜或二维多铁性材料中磁电耦合、铁电有序（相变）和反铁磁有序（相变）等物理性质非常有效的探针，为今后低维材料磁电耦合效应的表征和研究奠定了基础。

低维量子材料团队的多功能光学表征实验室经过近3年的建设和完善，目前已可以进行室温远场透/反射式SHG表征、室温微区SHG/荧光表征，以及多场调控（1.7 K~300 K温度场、-7 T~7 T磁场）反射式SHG表征等，为低维材料物性表征和精准调控提供了研究平台。

我院助理研究员王洁素与物理所博士生徐帅、物理所博士后陈潘（现为物理所副研究员）为以上研究成果的共同第一作者，物理所金奎娟研究员为通讯作者，主要合作者还包括我院的常凯研究员、武诗瑶高级工程师，物理所的白雪冬研究员，北京大学的许秀来教授等。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金等项目的支持。

（低维量子材料团队  供稿）